Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
батареи слу-
Солнечные батареи
399
жат основным источником питания при длительных полетах. При этом главными
проблемами являются эффективность преобразования и надежность элемента,
поскольку под влиянием частиц с высокой энергией на внешних орбитах
характеристики элемента ухудшаются со временем. В наземных условиях можно
применять как плоские солнечные батареи, так и системы солнечных батарей
с концентраторами. При этом наряду с проблемами повышения эффективности
преобразования и надежности элемента на первом плане оказывается проблема
снижения его стоимости, поскольку необходимо, чтобы наземные солнечные
системы оказались в конце концов конкурентоспособными с другими
источниками энергии.
Работы по наземным плоскопанельным системам направлены в основном на
максимально возможное снижение стоимости батарей при одновременном
сохранении к. п. д. преобразования на уровне не менее 10 %. Для этой цели
используются такие методы создания подложек, как выращивание ленты через
фильеру или способом "пластина к пластине" и выращивание дендритных лент
[7]. Для снижения стоимости подложек также применяется выращивание
поликристаллического кремния на керамике либо на металлургическом
кремнии. К наиболее вероятным кандидатам для использования в
плоскопанельных системах следует отнести солнечные элементы на аморфном
кремнии и на тонких пленках CdS. Последние описаны в разд. 14.4. Работы
по созданию концентрирующих систем направлены в основном на увеличение к.
п. д. преобразования в условиях высокой концентрации солнечной энергии и
на минимизацию стоимости всей системы как целого. Солнечные элементы для
концентраторов рассмотрены в разд. 14.5. В разд. 14.3 мы проанализируем
основные рабочие характеристики солнечных элементов с р-"-переходами.
14.3.1. Спектральный отклик
Схематически типичный солнечный элемент изображен на рис. 9. Он состоит
из мелкого р-"-перехода, созданного у поверхности (например, с помощью
диффузии), лицевого омического полоскового контакта, тылового омического
сплошного контакта и просветляющего покрытия на лицевой поверхности.
Если на лицевую поверхность падает монохроматический свет с длиной волны
к, фототок и спектральный отклик (число кол-лектируемых электронов,
приходящихся на один падающий фотон с данной длиной волны) можно
определить следующим образом. Скорость генерации электронно-дырочных пар
на расстоянии х от поверхности полупроводника (рис. 10, а) определяется
выражением
G(k, х) ~ а (Я) F (Я) [1 - R (А,)] ехр [-а (А,)*], (12
400
Глава 14
где а (X) - коэффициент поглощения, F (Я) - плотность потока падающих
фотонов в единичном спектральном интервале, R (X) - доля фотонов,
отражающихся от поверхности [3].
При низком уровне инжекции одномерные стационарные уравнения
непрерывности имеют вид
а
п п - п
Ро
I____dJ п
q dx
о
для электронов в полупроводнике р-типа и
Рп - Рпо 1 dJ р
GT
q dx
0
(13)
(14)
для дырок в полупроводнике я-типа. При этом плотности тока электронов и
дырок соответственно определяются выражениями
Л
+ qDn
dpn р dx
(15)
(16)
В солнечном элементе с резким р-/г-переходом и постоянными уровнями
легирования по обеим сторонам перехода (рис. 10, бив) вне обедненной
области электрическое поле отсутствует. Если рассматривается переход с
подложкой р-типа и я-слоем у лицевой поверхности, с помощью уравнений
(12), (14) и (16) можно получить уравнение, описывающее распределение
неосновных носителей в верхней части перехода:
dzpn Рп - Рпо
D
р dx2
-f- aF (1 - R) exp (-ax) - 0.
(17)
-2 cm
Л
Лицевой
1см
Иросветлящее^ покрытие ~
/ Ом-см, Si p-muna
контакт
Контактная
гребенка
¦ p~n~j nepexoo 0,25мкм
\ Тыловой контакт
Рис. 9. Схематическое изображение кремниевого солнечного элемента с р -
/г-переходом.
а - вид сверху; б - вид сбоку.
Солнечные батареи
401
6fA,x)
Длинноволновое излучение
*-сс
V 5
V
V'
К
$
. ...
в
Рис. 10. Зависимость скорости генерации электронно-дырочных пар от
расстояния от поверхности для длинноволнового и коротковолнового света
(а), размеры солнечного элемента и характерные длины диффузии неосновных
носителей (б), а также предполагаемый профиль легирования солнечного
элемента (в).
Общее решение этого уравнения имеет вид
Рп - Рпо = Л ch (x/Lp) + В sh (x/Lp) - exp (-a*), (18)
где Lp = (DpTp),/2 - диффузионная длина. Это решение должно удовлетворять
двум граничным условиям: на поверхности полу-
402
Глава 14
проводника происходит поверхностная рекомбинация носителей,
характеризующаяся скоростью Sp; поэтому^
Dp = sp (рп - рп0) при * = 0; (19)
на краю области обеднения избыточная концентрация неосновных носителей
относительно мала (это связано с существованием тянущего поля в
обедненном слое), поэтому
Рп - Prw - Q при X = Xj. (20)
Подставляя эти граничные условия в формулу (18), получаем
выражение для концентрации дырок
Рп - Рпо = [a>F (1 - R) %p/(alLp - 1)] х
х +aL>)sh (^-)+ №¦"? ¦+¦* тг) _ ^
(SpLp/Dp) sh (Xj/Lp) -(- ch (Xj/Lp)
